軟交換技術在鐵路中的應用方案研究

李雅靜

（鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251）

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軟交換技術在鐵路中的應用方案研究

李雅靜

（鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251）

摘要：主要針對軟交換技術在鐵路通信網中的應用進行研究，探討我國鐵路電話交換網的現狀和存在的主要問題，通過3種交換技術的優缺點和應用領域的比較，確定軟交換技術為鐵路電話交換網的發展方向，并給出軟交換技術在鐵路通信網中的應用方案。

關鍵詞：軟交換；NGN；鐵路；應用；研究

Abstract:This paper mainly studies the application of Softswitch in railway communication networks. It discusses the present situation and problems in railway communication switching system in China. Through comparison among the advantages, disadvantages and application fi elds of three kinds of switching technologies, it puts forward that the Softswitch technology is a developing trend of railway communication switching system and presents the application scheme of applying Softswitch in railway communication network. Keywords: Softswitch; NGN; railway; application; study

1　我國鐵路電話交換網的現狀及主要問題

當前我國鐵路電話交換網主要用于公務電話通信，以程控交換技術為核心，除個別工程新設程控交換機外，一般鐵路建設項目均采用擴容既有鐵路專網程控交換機的方式。在鐵路沿線設置接入網接入單元設備，接入網局端接入設備一般與程控交換機同址設置，接入單元設備通過傳輸系統和局端接入設備接入既有程控交換機，以滿足鐵路新增自動電話用戶的需求。

隨著現代交換技術的更新換代，基于電路交換的程控交換網絡不能適應鐵路通信技術的高速發展，其存在的問題日益凸顯。

第一，設備老化，無法滿足實際需要。我國鐵路專網程控交換設備大多建于20世紀90年代，目前大多數設備廠商已經停止生產程控交換設備，部分設備配件已無法購買，部分軟件版本已無法升級，存在著使用時間長、設備故障多、端口不足、號源緊張等問題。

第二，技術落后，網絡功能亟待升級。由于程控交換技術的局限，程控交換設備的容量有所限制，造成網絡節點數量龐大、網絡拓撲結構復雜、設備廠商型號多、系統功能單一等問題。

第三，維護困難，工作質效有待提升。采用程控交換設備需要敷設大量的地區（站場）市話電纜，電纜維護較光纜維護更加困難，給鐵路日常維護管理工作帶來了諸多不便。

2　現代交換技術的發展

從上世紀80年代至今，伴隨著計算機技術和IP網絡技術的快速發展，現代交換技術主要經歷了程控交換技術、軟交換技術及IMS技術3次大型變革。

20世紀80年代，程控交換技術在世界各國得到成功推廣，它實現了交換機的全電子化，代替機電式交換機和準電子電話交換機成為電話交換網的核心技術體制。20世紀90年代及21世紀初期，我國建成了覆蓋全國鐵路的專用程控電話交換網。

20世紀90年代中后期，為滿足用戶對多種新技術的迫切需求，實現語音、數據及視頻業務的融合，國內外電信運營商將VoIP技術與多媒體通信技術應用到電話交換網絡中，構建新型網絡平臺，軟交換技術應運而生。軟交換技術打破了傳統的以電路交換為基礎的程控交換網絡的格局，以分組交換為基礎，實現了呼叫控制和承載的分離，具有對新業務的支持能力提高、降低成本、優化網絡結構等技術優勢，可以為用戶提供全方位、多功能、多媒體業務服務。21世紀初，國內外電信運營商開始應用軟交換技術來構建新型電話與多媒體通信網絡。自2005年以來，在我國固網運營商的推動下，軟交換技術在我國得到了廣泛的應用，成功地通過了大話務量的考驗，技術已發展成熟。

21世紀初，蜂窩移動通信網絡和因特網的融合需求驅動了電信網交換技術的進一步變革，誕生了IMS技術。IMS技術起源于移動通信網絡的應用，并逐步擴大到固定領域，與軟交換技術相比，可以支持各類接入方式，真正實現了固定網絡和移動網絡的融合。但目前全球IMS網絡多數處于初級階段，應用方式也處于業界探討當中，技術成熟度有待進一步檢驗。

3　三種交換技術的比較

3.1程控交換技術

程控交換機是利用電子計算機技術，用預先編好的程序來控制電話接續工作的電話交換機，具有接續速度快、業務功能多、聲音清晰、質量可靠等優點。它基于電路交換網絡，是一個業務層與呼叫控制層緊密結合、不可分割的網絡。

3.2軟交換技術

軟交換是一種區別于傳統電話業務，與新型多媒體業務相關的網絡和業務問題的解決方案。軟交換技術以分組交換技術為基礎，繼承了程控交換網絡集中控制的架構和可靠的信令技術，采用分層的網絡架構，通過軟交換機實現基本呼叫控制功能，通過獨立的媒體網關實現語音、數據和視頻流的承載，通過第三方的標準接口與業務應用層相連接，從而實現了呼叫控制與承載相分離、呼叫控制與業務相分離。

軟交換能提供現有電路交換機的全部語音業務，并支持語音、數據、視頻融合的多媒體端點新業務和多樣化的第三方業務，是一種集語音、文字、數據、圖像、視頻等多媒體業務為一身、能夠滿足用戶多種需求體驗的多功能通信網絡。它定義了網元間的標準接口，但沒有限制網絡能力，可以通過網元的增加或網絡的改造提供新的網絡能力和業務能力。

軟交換體系支持多種開放的標準協議，包括MGCP、H.248、SIGTRAN、SIP、H.323、BICC、INAP、SNMP、RADIUS和MEGAGO等協議。

3.3IMS技術

IP多媒體子系統（IP Multimedia Subsystem，IMS）是基于分組交換技術的移動多媒體通信技術，它是一個獨立于接入技術的基于IP的標準體系，使得基于普通IP協議的終端用戶，無論是固定網絡用戶還是移動網絡用戶，使用不同類型的多媒體業務成為可能。IMS通過一個標準化的接口連接了IMS和多種接入網，例如GSM、WCDMA、WiMAX以及有線電視網等，并對在不同接入網下的用戶提供無縫的各種通信服務。

IMS具有分層的網絡架構、基于SIP協議的會話控制、支持多種業務應用、支持多種接入方式、支持與多種網絡互通、計費方式靈活、完善的QoS保證以及開放的業務開發環境等技術特點。

3.4技術比較

1）軟交換技術與程控交換技術的比較

與程控交換技術相比，軟交換具有非常明顯的技術優勢，主要體現為以下四點。

第一，程控交換網絡無法承載數據傳輸，不能開展多媒體業務，業務種類單一；而軟交換網絡支持SIP協議，可以靈活地提供包括語音、視頻、數據在內的多媒體業務需求。

第二，程控交換網絡基于電路交換技術，而軟交換網絡基于分組交換技術，網絡利用率高，可以滿足不同速率、不同編碼格式、不同通信協議的雙方用戶進行通信，可通過各種網關實現多種不同接入用戶之間的通信。

第三，程控交換網絡采用多級樹形結構組網，網絡拓撲結構復雜；而軟交換網絡實現了控制層和承載層分離，組網方式具有高效靈活性，可以在較大范圍內實現大區制、扁平化組網，網絡層次更為簡潔。

第四，程控交換網絡對設備的容量有所限制，造成網絡設備節點數量龐大；而軟交換網絡的控制層與承載層分離，從而使控制層設備的容量得到極大擴展，網絡中控制節點的數量大大減少，在設備能耗和占用空間方面具有更大優勢。

2）軟交換技術與IMS技術的比較

軟交換技術與IMS技術都是當前主流的交換技術，其區別主要有以下四點。

第一，軟交換技術最初應用于固定網絡中，在VoIP技術的基礎上發展起來，主要用于實現基于分組交換技術的語音業務及其增值業務的網絡承載；而IMS技術是在WCDMA R5中提出的，主要用于實現基于分組交換技術的移動多媒體業務的網絡承載。

第二，軟交換技術的標準并沒有國際統一標準，中國通信標準協會（CCSA）從2001年開始制定軟交換技術規范，至2005年已經完成大部分工作，技術標準成熟；而IMS技術的標準采用分階段分版本的發布方式，到目前為止仍處于不斷完善的階段。

第三，自2002年起，軟交換技術已經在我國得到大規模的商用，經過不斷演進與優化，技術應用成熟，產品種類豐富、性能穩定，不同廠家之間的設備兼容性較好；而截至2013年，國內三大運營商才逐步完成IMS網絡的商用，其技術應用的成熟度和產品的功能仍有待市場的進一步檢驗。

第四，軟交換技術支持SIP、MGCP、H.248等多種協議，而IMS技術全部采用SIP協議，SIP協議側重于多媒體應用，MGCP和H.248協議側重于語音業務，相比SIP協議更多地保留了傳統電話業務中的一些特性，因此軟交換技術更適用于語音業務為主、多媒體業務為輔的應用環境。

3）軟交換成為鐵路交換技術的必然選擇

傳統的程控交換技術已經走向尾聲，在整個電信行業中，基于IP技術和分組交換的軟交換網絡已取代基于電路交換的程控交換網絡，成為通信網絡的主流。經過多年大規模的商用，軟交換技術的成熟度已經得到了社會的肯定，而IMS技術雖然日趨完善并已進入商用，但距其完全成熟度還有待時日。鑒于鐵路通信網建設的特點，需要建設一個以語音業務為主、多媒體業務為輔、技術成熟、具有極高的安全性和穩定性的電話交換網，故本文推薦采用軟交換技術建設鐵路電話交換網。

4　軟交換技術在鐵路中的應用

4.1網絡需求分析

第一，業務處理能力的需求。隨著鐵路建設的高速發展，用戶數量不斷增加，業務處理需求逐步增大，要求鐵路電話交換網絡采用核心處理能力更強、單機用戶容量更大的軟交換設備，以滿足鐵路電話用戶日益增長的需求，提升服務質量。

第二，網絡運營管理便捷的需求。為與當前鐵路運營管理體制相適應，應采用軟交換技術代替程控交換技術，對現有鐵路電話交換網絡進行調整，建設以路局為單位的“大區制、扁平化”新型網絡結構，減少交換節點，簡化網絡層次，提升網絡運營管理效率。

第三，多媒體業務接入的需求。隨著信息時代的來臨，鐵路信息化建設得到了快速發展，對鐵路電話交換網提出了更高的要求，不僅要提供傳統的語音業務，也要提供大量非語音的數據業務和視頻業務等多媒體業務，現有的鐵路專網程控交換設備已不能滿足上述需求，需要建設技術體制更為先進的軟交換網絡。

4.2組網方案研究

軟交換網絡分為4個層面：業務/應用層、控制層、傳輸層及接入層，如圖1所示。

1）控制層

控制層是整個軟交換網絡的核心控制平臺，負責所有用戶的各種呼叫控制和接續管理功能，及接入協議適配、互連互通等綜合控制處理功能，其實質就是軟交換機（SS）。建議以鐵路局為單位設置軟交換機，在每個鐵路局所在地設置至少兩套，采用與鐵路調度通信系統調度所型調度交換機同樣的設置方案，選擇鐵路局調度所和鐵路局所在地的樞紐通信站作為兩個核心節點，采用“1+1” 主備用方式，按照同城異地方式建設。各鐵路局軟交換核心節點通過全路骨干層數據網連接。

2）業務/應用層

業務/應用層主要用于面向用戶提供各種應用和服務。建議在鐵路局所在地與軟交換機同址設置各類軟交換網絡服務器，包括支持三方應用和增值業務的應用服務器、動態干預網絡設備工作健康狀況的策略服務器、處理用戶訪問請求的AAA服務器、軟交換網管服務器及智能用戶數據庫等。

3）傳輸層

傳輸層為分組傳送網提供可靠的、端到端的QoS保證的綜合傳輸網絡平臺。目前，全路正在進行數據網改造工程，建成后18個鐵路局所有干線鐵路均將具有完善的數據網網絡，可以利用鐵路IP數據網來搭建軟交換數據承載網。

4）接入層

接入層通過采用不同的網關設備，滿足不同用戶業務接入的需求，實現各種不同網絡及終端設備的互通，主要包括TG、SG、AG等各類媒體網關及各種終端設備。

鐵路電話交換網與公共電信網可采用兩種方式：鐵路軟交換網絡通過網絡邊界點（NBP）與公網軟交換網絡互聯；或者維持既有的互聯方式，在原鐵路用戶與公網互聯處設置軟交換TG和SG，用來實現分組交換網向電路交換網的轉換和No.7信令網與IP網之間的中繼，實現與公用電話網的互通。

同時，TG和SG還可以實現GSM-R鐵路移動通信系統核心網交換機和軟交換機的互聯互通。

4.3接入方式比較

根據鐵路電話交換網的現狀和特點，軟交換終端接入方式主要有以下3種。

1）AG接入方式

根據鐵路程控電話交換網現狀，對于各條既有鐵路，其鐵路沿線均設有接入網接入單元設備（NU），通過接入各大型通信站內的接入網局端接入設備（LT），接入既有程控交換機。為了減少對既有線通信網的改動，可考慮在LT同址處設置AG設備，通過AG設備接入鐵路局軟交換系統，如圖2所示。

2）xPON接入方式

在新建或改建鐵路時，可采用xPON網絡，即EPON/GPON接入方式，由OLT、ONU、ODN三部分組成，如圖3所示。xPON具有低成本、高帶寬、接口豐富、組網靈活、擴展性強等顯著優點，可實現用戶側語音、視頻及數據業務的融合接入。

OLT局端設備設置于鐵路沿線各大型車站/通信站處，平均間距不超過40 km，為管轄區域內的用戶提供網絡側和用戶側之間的接口，網絡側接入鐵路局IP數據網，用戶側通過一個或多個ODN與ONU通信。

ONU終端設備設置于鐵路沿線各用戶處，為用戶提供綜合業務接口，且具有光/電轉換能力，可同時實現POTS終端、PC終端和軟交換終端的接入。

ODN無源光元件設備包括光纖、光連接器和光分路器等，用于OLT和ONU的連接。

EPON/GPON接入方式可以實現全光網絡，用光纜代替地區及站場市話電纜，有利于維護管理。

3）IP接入方式

采用IP接入方式的前提是鐵路沿線建成完整的IP數據承載網。現在全路正在進行數據網改造工程，待各鐵路局建成數據網骨干層和匯聚層后，對于鐵路數據網已覆蓋的鐵路地區和樞紐，可采用IP接入方式。IP接入方式采用的是IP電話，而不再是傳統的模擬電話終端。由于IP電話和軟交換均支持H.323、SIP、MGCP和MEGAGO等協議，因此可以通過數據網直接互聯互通，如圖4所示。

3種終端接入方式的優缺點比較如表1所示。

表1　AG、xPON和IP 三種接入方式優缺點比較

綜上所述，AG接入方式是在軟交換系統和程控交換系統并存時的初級階段的一種過渡方案，而xPON接入方式和IP接入方式的特點和優缺點各異，當軟交換系統建成后，具體實施時可根據鐵路通信網的需求進行選擇。

5　結束語

為適應新形勢下鐵路發展的需要，有必要對鐵路自動交換網進行更新改造，建設一個技術體制先進、業務功能豐富、產權及維護界面清晰、網絡架構與鐵路生產力布局相匹配、適應鐵路建設發展的交換網絡。作為下一代交換網絡的核心技術體制，軟交換技術和產品均已成熟，是鐵路電話交換網的發展方向。

參考文獻

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收稿日期：（2014-08-13）

DOI:10.3969/j.issn.1673-4440.2016.01.011